Содержание к диссертации
Введение
1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИССЛЕДОВАНИИ КЛИМАТО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПО ГОДИЧНЫМ КОЛЬЦАМ ДЕРЕВЬЕВ 11
1.1. Дендрохроноиндикационный метод исследования параметров окружающей среды 13
1.2. Основные этапы становления и развития дендрохронологических исследований... 16
1 3. Методы исследования годичного прироста и анализ поперечных спилов деревьев. 19
1.4. Сравнительный обзор и анализ аппаратно-программных средств обработки и анализа годичных колец деревьев 23
1.5. Обзор современных решений в области grid-технологий 30
1.6. Выводы по главе 1 38
2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРИРОСТА ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ДЕРЕВЬЕВ 39
2.1. Клеточная микроструктура годичных колец деревьев 41
2.2. Исследование и учет биологических особенностей развития дерева в модели прироста годичных колец деревьев 44
2.3. Монотонность и непрерывность роста как основа построения математической модели годичных колец 47
2.4. Восстановление прироста годичных колец деревьев 50
2 4 1 Преобразование изображения из полярной системы координат в декартовую 51
2 4 2 Предварительная фильтрация шумов 52
2 4 3 Вычисление направления и среднеквадратичной ширины области максимального прироста годичных колец деревьев 60
2 5. Выводы по главе 2 62
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБРАБОТКИ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ДЕРЕВЬЕВ 63
3.1. Использование технологии и инструментальных средств Rational Software и AllFusion для разработки информационно-программного обеспечения комплекса 63
3.2. Архитектура и системные решения при реализации распределенных вычислений..68
3.3. Разработка обобщённой функциональной структуры и алгоритмов функционирования многомашинного вычислительного комплекса 70
33 1 Формирование профилей вычислительных серверов 71
3 3 2 Разработка алгоритма функционирования коммуникационного сервера. 74
3 3 3 Разработка алгоритма динамичного определения реального времени отклика вычислительных серверов . 79
3 3 4 Разработка подсистемы контроля и разграничения прав доступа к информационно-вычислительным ресурсам комплекса 80
3 3 5 Разработка подсистемы инструментальных средств администратора комплекса. 83
3 3 6 Разработка интерфейсных средств пользователей комплекса. 87
3 3 7 Архитектура многомашинного вычислительного комплекса . 88
3.4. Разработка обобщённого алгоритма управления данными в многомашинном вычислительном комплексе 94
3.5. Выводы по главе 3 101
4. РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ДЕРЕВЬЕВ В МНОГОМАШИННОМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ 102
4.1. Имитационное моделирование систем распределённых вычислений 102
4 1 1 GPSS-модель для оценки эффективности функционирования grid-систем произвольной структуры 103
4 I 2 Результаты имитационного моделирования многомашинного вычислительного комплекса удаленного анализа изображений годичных колец деревьев . 105
4 2 Многоуровневая схема построения системных и обрабатывающих модулей комплекса 109
4.3. Административно-системная часть многомашинного вычислительного комплекса обработки годичных колец деревьев 111
4.4. Автоматизированное рабочее место исследователя для анализа годичных колец деревьев 112
4.5. Формирование и ведение баз данных многомашинного вычислительного комплекса 125
45 1 Системная база данных . 125
4 5 2 База данных научной информации 127
45 3 Базадендроэкологическихданных 128
4.6. Тестирование и оценка качества многомашинного вычислительного комплекса на соответствие оценочным элементам государственного стандарта 131
4.7. Выводы по главе 4 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
ЛИТЕРАТУРА 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 151
Имитационная модель для оценки эффективности функционирования многомашинного вычислительного комплекса языке GPSS World 151
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 157
Оценочные элементы качества многомашинного вычислительного комплекса 157
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 166
Виртуальная учебная лаборатория обработки данных в области дендроэкологии 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 169
Акты внедрения результатов диссертационной работы 169
- Дендрохроноиндикационный метод исследования параметров окружающей среды
- Клеточная микроструктура годичных колец деревьев
- Использование технологии и инструментальных средств Rational Software и AllFusion для разработки информационно-программного обеспечения комплекса
- Имитационное моделирование систем распределённых вычислений
Введение к работе
В настоящее время во многих областях охраны окружающей среды и экологии человека и, в частности, в мониторинге, моделировании и прогнозировании климатических и экосистемных изменений под воздействием природных и антропогенных факторов встаёт задача изучения объектов, информация о которых требует как большого объёма памяти для их хранения, так и больших вычислительных мощностей. Для решения задач прогнозирования климатических и экосистемных изменений необходимо искать аналогичные ситуации в прошлом, поэтому исследуются ряды изменения элементов климата в пределах возможного. Физические параметры климата широко измерялись последние сто лет, но для прогноза этого недостаточно. Например, годичные кольца деревьев могут дать информацию на тысячу лет назад, а по ископаемой древесине - до десяти тысяч лет назад. Климат характеризуется такими физическими величинами как: температура, давление, влажность, радиационные характеристики и пр. Основная задача климатологии это прогноз изменения этих физических величин и в их совокупности, прогноз комфортности окружающей среды или качества жизни. Однако решение полной задачи чрезвычайно затруднено в силу многообразности процессов, влияющих на формирование климата, недостаточной изученностью их взаимодействия.
Биологические объекты находятся в тесной взаимосвязи с элементами окружающей среды и являются универсальной базой для проведения подобных исследований. В некотором диапазоне значений физических характеристик окружающей среды их изменения не влияют на жизненно важную, целевую функцию организма. Таким образом, например, дерево является естественным сглаживающим фильтром, своим существованием регуляризирующим "климатическую задачу". При этом в годичных кольцах дерева содержится ответ на главный вопрос - датированная интегральная информация о комфортности среды. Такой подход состоит в том, что должны измеряться физические параметры дерева, значения которых градуируются в соответствии с состоянием окружающей среды. Наиболее информативным будет параметр, который максимизируется вместе с развитием и ростом организма. Этот параметр - биологический элемент климата - будет количественно характеризовать климат, комфортность жизни в нем, с "точки зрения" дерева. Подобные исследования ведутся во всех значимых климатических регионах. Объёмы данных очень большие, причём для достоверности результатов исследований необходимо проводить сопоставление между собой этих данных.
В связи с этим для указанных задач актуальна интеграция и масштабирование использования вычислительных ресурсов. Усложняет ситуацию разнородность используемых компьютерных платформ (гетерогенность среды) и распределение в пространстве информационных и вычислительных ресурсов. В таких условиях одним из возможных решений является использование технологии распределённых вычислений. Данная технология позволяет разгрузить маломощные пользовательские компьютеры, обеспечить необходимую вычислительную мощность. В этом случае исследователь не заботится о том, где выполняются функциональные модули системы, о модификации используемого программного обеспечения и т.д.
Дендроэкологический анализ наследует особенности решения задач климатических и экосистемных изменений и также требует математической обработки очень большого объёма данных, например, иногда требуется обработка временных рядов наблюдений за тысячу лет и более, и коллективной работой сотрудников, практически, на всех этапах дендроэкологических исследований, а также в необходимости хранения и систематизации больших объемов неоднородной структурированной информации (хронологические ряды наблюдений, результаты обработки, сопутствующие метеорологические, геологические, геофизические, аэрокосмические и т.п. ряды наблюдений).
Годичные кольца деревьев как биологический носитель хронологической информации, являются широко используемым объектом изучения. Существует ассоциация исследователей годичных колец деревьев Tree Ring Society, известны своими результатами лаборатории в Аризоне, Швейцарии, Германии. В России подобные исследования проводятся в С.-Петербурге, Екатеринбурге,
Томске. Институт леса СО РАН г. Красноярск является ведущей организацией в этой области.
Исследования в области дендроэкологии, помимо большого объёма вычислений, требуют и разработки новых методов получения экспериментальных данных, которые бы более точно отражали изменение соответствующих климатических данных. Отметим необходимость внедрения исследований в области дендроэкологии и в университетах при организации учебного процесса по соответствующим дисциплинам.
С математической точки зрения годичные кольца на поперечном спиле дерева представляют собой модулированный сигнал, зависящий от двух пространственных переменных. Поэтому перспективным в дендроэкологических исследованиях является двумерный анализ годичных колец, который в полной мере в исследовательских задачах не применяется.
Таким образом, только развитое математическое описание, поддержанное численными алгоритмами и их эффективной сетевой программной реализацией с возможностью хранения большого объёма дендроэкологических данных и сопутствующей им научной информации, с отсутствием дублирования данных, с лёгкостью и простотой модификации алгоритмов и программ обработки, с обеспечением надёжной защиты данных от несанкционированного использования и восстановления данных в случае сбоя в системе, с решением проблем исследователей, работающих на маломощных рабочих станциях, со снижением стоимости и трудоёмкости администрирования системы и др. даст возможность получить новые результаты и качественные оценки экологических параметров окружающей среды.
Целью диссертационной работы является создание эффективных алгоритмов восстановления прироста годичных колец деревьев, в частности, алгоритма двумерного анализа изображений дисков деревьев, алгоритмов управления распределёнными гетерогенными информационно- вычислительными ресурсами, и их реализации в многомашинном вычислительном комплексе.
Научная новизна. Работа включает следующие новые результаты:
На основе представления математической модели годичных колец деревьев в виде пространственно-временного колебания впервые разработан алгоритм двумерного анализа изображений дисков деревьев.
Исходя из малости изменений полезного сигнала в соседних радиальных сечениях разработан интерактивный алгоритм восстановления непрерывных годичных колец из дискретных данных дендрохронологических измерений.
Разработано программное обеспечение для исследования годичных колец деревьев и решения задач дендроэкологической диагностики с использованием дополнительной картографической и метеорологической информации.
Разработан язык и интерпретатор табличного метаописания вычислений и баз данных, позволяющие динамично объединять несколько серверов в единый информационно-вычислительный ресурс для решения задач дендроэкологии.
Разработана и реализована модульно-иерархическая система алгоритмов, являющаяся ядром многомашинного вычислительного комплекса, использующего технологию распределённых вычислений для решения задач дендроэкологии.
Практическая ценность. Практически значимыми результатами работы являются:
Применение в мониторинге экологического состояния окружающей среды алгоритмов и программных средств обработки дендроэкологических данных.
Разработанная и постоянно пополняемая база данных изображений годичных колец деревьев обеспечивает использование полученной невозобновимой информации в будущих работах на основе новых методов и разработок.
Разработанная функциональная структура многомашинного вычислительного комплекса может быть использована для решения широкого круга задач, требующих значительных вычислительных мощностей.
Использование разработанного многомашинного вычислительного комплекса для решения задач дендроэкологического анализа, позволяет упростить технологические аспекты решения этих задач и значительно увеличить мощность вычислительного комплекса.
Разработанные программные средства могут быть использованы в качестве лабораторной базы в различных учебных дисциплинах, связанных с охраной окружающей среды и экологией человека и рекомендованы к внедрению в лесохозяйственных организациях и при подготовке специалистов в области лесоведения в университетах России.
Достоверность результатов работы подтверждается обоснованными предположениями и выводами, тестовыми задачами, результатами практического применения.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на профильных российских и международных конференциях и симпозиумах в период с 2001 по 2004 год: Международная научно-практическая конференция "Экология и безопасность жизнедеятельности" (Пенза, 2002), Вторая международная научно-практическая конференция "Моделирование. Теория, методы и средства" (Новочеркасск, 2002), ENVIROMIS 2002. Международная конференция "Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне" (Томск, 2002), CITES 2003. Международная конференция "Вычислительные и информационные технологии для наук об окружающей среде" (Томск, 2003), Международная научно-практическая конференция "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Новосибирск, 2003), Международная научно-практическая конференция "Проблемы и практика инженерного образования. Экологические проблемы инженерного образования" (Томск, 2004), KORUS 2004 Корейско-российский международный симпозиум (Томск, 2004), ENVIROMIS 2004. Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды (Томск, 2004), Четвёртый международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 2004) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа: 4 - в рецензируемых отечественных изданиях, 16 - в материалах российских и международных конференций и симпозиумов. Программный комплекс зарегистрирован во ВНТИЦ (№ 50200300984) от 8 декабря 2003 г.
Защищаемые положения:
Применение двумерного анализа изображений дисков деревьев позволяет получить новую информацию о росте дерева, увеличить объём выборки и решать новые задачи, связанные с неоднородностью окружающего пространства, в частности, погрешность оценки направления максимального прироста ограничено сверху только устройством ввода.
Алгоритм для выделения информации о росте дерева из дискретных данных дендрохронологических измерений, включающий человекомашинныи интерфейс, не требует априорной информации о свойствах шума и полезного сигнала.
Многомашинный вычислительный комплекс, включающий коммуникационный сервер, вычислительные серверы и серверы баз данных, обеспечивает гибкое построение масштабируемого распределённого комплекса обработки дендроэкологических данных с необходимой вычислительной мощностью.
Личный вклад. Автор участвовал в постановке задачи исследования. При его непосредственном участии проводилась разработка функционально-логической структуры программного обеспечения обработки дендроэкологических данных, разработка математического описания и алгоритмов обработки годичных колец деревьев, для оценки эффективности которых, автором были проведены натурный эксперимент и анализ полученных результатов. Работа выполнялась в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и в Томском политехническом университете в период с 2001 по 2006 год. В процессе исследований автор сотрудничал с учёными и специалистами из НИИ Биологии и биофизики при ТГУ г. Томск и Института леса СО РАН г. Красноярск.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 174 наименований и 4 приложений. Объём диссертационной работы составляет 170 страниц машинописного текста, иллюстрированного 40 рисунками и 31 таблицами.
Дендрохроноиндикационный метод исследования параметров окружающей среды
Как было отмечено выше, одним из широко используемых биоиндикационных методов является дендрохроноиндикация, позволяющая получать информацию о параметрах окружающей среды по приросту дерева. Дендрохроноиндикация позволяет определить такие параметры окружающей среды как температуру, влажность и др. Достижение задачи получения подобной информации об окружающей среде по приросту дерева основывается на дендрохронологических принципах: закон лимитирующих факторов, отбор местообитаний, чувствительность, перекрёстное датирование [2].
Закон лимитирующих факторов (закон минимума Либиха) был установлен Либихом экспериментально на сельскохозяйственных растениях. Суть его в том, что биологические процессы, в частности рост, не могут протекать быстрее, чем это позволяет наиболее лимитирующий (ограничивающий) фактор. Согласно этому закону, для анализа следует брать образцы с таких деревьев, величина годичного прироста которых прямо или косвенно лимитируется каким-либо внешним фактором [2,4].
Принцип отбора местообитаний является составной частью закона лимитирующих факторов. Он требует, чтобы при дендрохронологических исследованиях образцы древесины брали с таких местообитаний, где проявляется действие лимитирующих факторов. Чем сильнее ежегодная изменчивость величины прироста деревьев, тем более надежным индикатором внешних условий она является [2, 5].
Принцип перекрестного датирования основывается на том, что древесные растения, произрастающие в пределах какого-либо района, величиной прироста сходно реагируют на изменение внешних факторов. В благоприятные по климатическим условиям годы формируются широкие кольца, в неблагоприятные - узкие. В связи с этим у большей части деревьев наблюдается синхронное изменение ширины годичных колец, как во времени, так и в пространстве. Чередование узких и широких колец неповторимо во времени, поэтому совместить графики изменения ширины колец у сравниваемых деревьев можно лишь в пределах строго определенного участка дендрохронологической шкалы. Перекрёстное датирование - это сравнение сходных рисунков колец у различных деревьев и выбор точного места, где соответствие между ними найдено [2].
Получение информации о климате с использованием в качестве биоиндикаторов годичных колец деревьев происходит в несколько этапов. В первую очередь производится выбор района сбора образцов. Затем выбирается вид древесного растения и типы условий мест произрастания, с которых можно получить наиболее чувствительную к определенному фактору среды кольцевую хронологию. Для этой цели предварительно берут и исследуют образцы древесины с разных видов древесных растений и при различных условиях произрастания. Основное внимание обращают на изучение чувствительности и возможности перекрестного датирования. Наиболее отзывчивыми на изменение внешних условий являются растения типа голосеменных, поэтому они в большинстве случаев используются при проведении дендрохронологических исследований. Участки необходимо выбрать там, где наиболее полно проявляется действие какого-либо лимитирующего фактора. При проведении дендроклиматологических исследований берут образцы с участков, которые не подвергались действию катастрофических факторов, для определения только климатических параметров исключают участки, подвергавшиеся антропогенным воздействиям [2, 6]. Необходимым является детальное геоботаническое описание типов леса, в пределах которых проводят исследования.
Для взятия образцов древесины, без значительного повреждения ствола дерева, используют специальные бурава, которые позволяют высверливать из стволов цилиндры древесины (керны) диаметром примерно 4 мм и длиной до 40 см. Керн представляет собой чередование древесины, сформированной в разные годы и сезоны роста, в одном радиальном направлении. Для получения надёжных древесно-кольцевых хронологий образцы берут по двум радиусам с 10-20 деревьев. В этом случае обеспечивается статистическая обработка полученного ряда и уменьшается роль индивидуальных различий в изменчивости ширины годичных колец.
Клеточная микроструктура годичных колец деревьев
Каждый годичный слой состоит из ряда клеток, которые и определяют его структуру. В зависимости от строения клеток древесина годичного слоя определяется как светлое или темное кольцо. Сформированное годичное кольцо представляет собой конечный результат деления и дифференциации клеток в вегетационный сезон [126].
На рис. 2.2 представлена микроструктура годичного слоя пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.), соответствующего 1966 году. Анализируемый слой (рис. 2.2, б) состоит из ряда клеток ранней и поздней древесины, размер которых от начала вегетационного периода до его середины увеличивается, а затем начинает снижаться (рис. 2.3, 6). Толщина клеточной стенки резко возрастает у клеток поздней древесины (рис. 2.3, в). Отсюда можно сделать предположение, что исходя из микроструктуры годичного слоя, древесина, образованная в начале периода вегетации, является менее плотной, чем древесина, образованная в конце периода вегетации. Из представленного на рис. 2.3, а профиля изменения интенсивности окраски клеток, полученного путем считывания графического изображения вдоль линии сканирования, видно, что всплески, соответствующие изменению уровня цветового изображения пикселов, сближаются к концу вегетационного сезона. Таким образом, изменение уровня цветового изображения, полученного при сканировании анализируемого образца, соответствует распределению плотности древесины [127].
Исходя из сделанных наблюдений становится возможным проведение разработки математической модели, описывающей радиальное сечение годичных слоев деревьев, с целью использования свойств разработанной модели для автоматизированного исследования и анализа годового прироста за вегетационный период [128].
А-А - сечение одного годичного слоя, соответствующее 1966 году, Б -Б линия сканирования поперёк выбранного годичного слоя, а - сегмент поперечного спила дерева, в - ряд трахеи одного годичного кольца для анализа размера клеток.
Полученный в результате сканирования диска дерева в одном из радиальных направлений сигнал представляет собой некоторую зависимость в виде функции R(p). Данная зависимость является результатом имевших место биологических процессов, повлиявших на формирование морфологической структуры древесины, и отображает сезонное изменение внутренних характеристик дерева, произошедших под влиянием изменения внешних и внутренних факторов. Задача извлечения необходимой информации из полученной интегральной зависимости сводится к разделению полезного сигнала и разного рода шумов, имеющих в своей основе биологическую природу [129].
Возрастные изменения роста дерева, происходящие на клеточном уровне, отражаются на морфологии древесины в виде изменения плотности и химического состава. Каждый год в вегетационный сезон в камбиальной зоне дерева происходят деления клеток, которые и формируют зону прироста от поздней древесины прошлого года до ранней древесины нового года. Размер прироста в направлении одного радиуса поперечного сечения дерева имеет некоторую закономерность, обусловленную внутренними особенностями дерева. Внутренние особенности роста накладывают глобальные изменения на всё радиальное сечение. Обусловлены эти изменения видовыми особенностями деревьев. Картина годичных слоев в зависимости от вида дерева может иметь форму более или менее искривленных колец на всем сечении.
Использование технологии и инструментальных средств Rational Software и AllFusion для разработки информационно-программного обеспечения комплекса
Анализ средств объектно-ориентированного анализа и проектирования по таким критериям как обеспечение целостности проекта и контроля за его состоянием, независимость от платформы и СУБД, открытость архитектуры, качество технической поддержки, простота освоения и использования позволяет сделать вывод о пакете Rational Rose 2000 [144] как о наиболее оптимальном средстве анализа и проектирования вычислительной структуры, а о пакете AHFusion ERwin Data Modeler 4 [145] как о наиболее оптимальном средстве анализа и проектирования баз данных.
С использованием пакета Rational Rose были разработаны диаграммы различных типов, представляющие основные потоки работ и фазы процесса анализа и проектирования применительно к комплексу обработки дендроэоклогических данных. Разработаны диаграммы вариантов использования (use case diagram) (рис 3.1), позволяющие более чётко представить его исходную концептуальную модель комплекса и процессы, поддерживающие его функционирование, как со стороны исследователя, так и со стороны администратора (описывают функциональное ядро комплекса). Основной учётной единицей здесь является функциональная задача. С пользовательской стороны это такие задачи, как обработка изображения медианным и полиномиальным фильтрами, вычисление азимута и среднеквадратичной ширины области максимального прироста, вычисление индексов прироста по ширине годичных колец деревьев и среднего значения по индексам прироста и др. С системной стороны это такие задачи, как формирование профилей вычислительных серверов, обеспечение оптимальной загрузки имеющихся вычислительных серверов, оптимизация взаимодействия с сервером базы данных, контроль и разграничение прав доступа к информационно-вычислительным ресурсам комплекса и др. Каждая выделенная функциональная задача (процесс) включает алгоритм обработки, входные и выходные данные, средства их визуализации.
С помощью диаграммы кооперации (collaboration diagram) (статическое представление структуры комплекса) был определён полный контекст взаимодействий процессов как временной "срез" совокупности объектов, взаимодействующих между собой для выполнения определенных задач комплекса. Полная совокупность методов и данных, структурированных в абстрактных объектах типа класс, и обеспечивающая функционирование многомашинного комплекса обработки дендроэкологических данных в различных режимах, была определена с помощью диаграмм классов (class diagram). С точки зрения учёта временного фактора многомашинный комплекс обработки дендроэкологических данных не является строго системой реального времени. Если асинхронность в обработке событий в комплексе присутствует, то жестко заданные временные рамки выполнения функций комплекса отсутствуют. Поэтому, детализация поведения комплекса не так важна и сразу можно приступить к разработке дальнейших диаграмм функционирования комплекса.
Имитационное моделирование систем распределённых вычислений
Классическими методами исследования распределённых систем обработки являются математические методы теории систем массового обслуживания (СМО) [154]. В частности, аналитические методы теории очередей [155] могут быть использованы для определения критериев и характеристик распределённых систем. Это могут быть математические модели, основанные на марковских или полумарковских системах, многолинейных, приоритетных или многофазных системах, системах с повторными вызовами, с зависимым обслуживанием и др. [156].
Вместе с тем, исследование эффективности сложных программных комплексов, построенных с использованием grid-технологий, практически невозможно с использованием математических моделей (функционирование grid-системы формализовано трудно описать). Поэтому только имитационное моделирование grid-систем позволяет оценить и спрогнозировать их производительность, загруженность всех входящих в её состав информационных и вычислительных компонентов, получить статистически обоснованные временные и экстремальные оценки всевозможных характеристик, интересующих разработчиков (с точки зрения оптимизации структуры) и пользователей (с точки зрения производительности). Для описания моделей СМО при их исследовании на ЭВМ широко используется язык имитационного моделирования GPSS World [157]. Система GPSS World обеспечивает исследователя всеми функциями, необходимыми для модельного описания систем массового обслуживания. Имитационная модель в GPSS World представляет собой алгоритм, отражающий изменения состояния моделируемой системы во времени при заданных потоках заданий, поступающих на её входы.
В настоящей работе в качестве базового исследуемого объекта при разработке имитационной модели была взята инфраструктура разработанного программного комплекса обработки дендроэкологических данных (раздел 3.3), а в качестве специализированного языка моделирования был выбран язык описания моделей, являющийся составной частью системы имитационного моделирования GPSS World (GPSS Student Version 4.3.4).
В соответствии с разработанной функциональной структурой многомашинного вычислительного комплекса обработки дендроэкологических данных (раздел 3.3) основными объектами моделируемой системы являются: потоки входных заданий, вычислительные сегменты, управляющие серверы сегментов, вычислительные серверы сегментов, коммуникационный сервер, серверы баз данных, менеджер баз данных. С использованием указанных объектов осуществляется моделирование функциональной обработки заданий. Особенность реализации программного обеспечения многомашинных программных комплексов, использующих идеи grid-систем, учтена многослойной структурой его построения. Введены следующие дополнительные объекты моделируемой системы: слой адаптации, слой связи, слой доступа к ресурсам, слой кооперации и слой координации. С использованием данных объектов моделируется предоставление как вычислительных, так и информационных ресурсов для внешнего использования, обеспечение коммуникации и безопасности, удалённое использование ресурсов без учёта общего состояния МВК, организация взаимодействия с распределёнными ресурсами, распределение использования ресурсов МВК во времени.
В качестве модели источника входных потоков заданий использована независимая модель источника. В этой модели вычисление моментов появления заданий (случайной величины, связанной с промежутком времени между появлениями двух соседних заданий) осуществляется по нормальному закону распределения. Частично использовалась и модель зависимых источников входных потоков заданий, в которой определение моментов появления заданий осуществляется при поступлении на некоторый вход других заданий (синхронизирующих), в частности, заданий, отклонённых из-за невозможности восстановления сбойного вычислительного сервера.
Модели основных объектов устройств отражают выработку интервалов обслуживания (также значений случайной величины, распределённой по экспоненциальному закону). Кроме того, модели устройств отражают управление очередями в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания и приоритетами поступающих заданий.
